JP3762312B2

JP3762312B2 - 液体空気エネルギー貯蔵システム及びその制御方法

Info

Publication number: JP3762312B2
Application number: JP2002049214A
Authority: JP
Inventors: 和明木藤; 孝次椎名; 耕一千野; 中原　　貢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003254086A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体空気エネルギー貯蔵システム及びその制御方法に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
電力貯蔵システムの一つとして、電力を液体空気の形で貯蔵するシステムである。例えば、液体空気エネルギー貯蔵システム、またはエネルギー貯蔵型ガスタービン発電システムである。以下、名称は液体空気エネルギー貯蔵システムで統一する。この名称は特開平９−２５０３６０号公報などで提案されている。
【０００３】
このシステムは、以下のような仕組みで電力貯蔵を行う。まず、夜間の余剰電力で圧縮機を駆動し、圧縮した空気は蓄熱・蓄冷槽を通して冷却し、膨張させることで液体空気を製造する。昼間の電力不足時に圧縮機を駆動することなくガスタービンを運転する。発電時に必要となる圧縮空気は夜間に貯蔵しておいた液体空気を加圧して、蓄熱・蓄冷槽を通すことで加熱、気化して供給する。昼間の運転時に液体空気の冷熱は蓄熱・蓄冷槽で回収され、次の夜間運転時に液体空気を製造するための冷熱源として利用される。
【０００４】
このシステムを用いれば、昼間の発電時に大きな動力を必要とする圧縮機を運転する必要が無いため、発電量を増加することが出来、電力貯蔵が実現できる。液体空気エネルギー貯蔵システムの電力貯蔵効率及び発電効率の向上策として、大きく分類すると以下の３つの方策が提案されている。
【０００５】
１つ目は、液体空気エネルギー貯蔵システムを他のシステムや他のエネルギー源と組み合わせることで、システム全体の効率を向上するものである。特開平１０−２３８３６６号公報では空気膨張タービンとの組み合わせ、特開平１１−３０３６４６号公報や特開２０００−１３０１８５号公報ではＬＮＧ冷熱源の活用、特開平１１−１５９３４２号の公報ではＨＡＴサイクルとの組み合わせが提案されている。
【０００６】
２つ目は、液体空気エネルギー貯蔵システムの主要機器、特に蓄熱・蓄冷槽の高性能化によりシステム効率を向上するものである。特開平１０−２３８３６６号公報では蓄熱・蓄冷槽の伝熱面積の増加策、特開２０００−１６１８８２号公報では蓄熱・蓄冷材の熱伝導率向上策、特開２００１−２８０８７１号公報では伝熱管と蓄冷材との間における空気層ギャップ抵抗の低減策が提案されている。
【０００７】
３つ目は、液体空気エネルギー貯蔵システムのシステム構成を高度化することで、システム効率を向上するものである。特開２０００−３３７１７１号公報では空気圧縮機により製造される圧縮空気と蓄冷槽を通る空気流量を適正配分する方策が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電力貯蔵システムでは、電力貯蔵効率をどれだけ高めることが出来るかが重要となる。液体空気エネルギー貯蔵システムにおいて、電力貯蔵効率を高めるためには、空気の液化効率を高めることと、蓄熱・蓄冷槽における液体空気の冷熱回収効率を高めることが必要である。
【０００９】
従来は、蓄熱・蓄冷槽の伝熱性能を高め、蓄熱・蓄冷槽からの空気取り出し方法を工夫し、蓄熱・蓄冷槽を高性能化することで空気の液化効率を高めていた。しかし、蓄熱・蓄冷槽の高性能化だけでは、空気の液化効率向上には限界があるため、空気の液化効率を更に向上させるためには、液体空気エネルギー貯蔵システムのシステム構成の高度化が必要となる。
【００１０】
また、蓄熱・蓄冷槽による液体空気の冷熱回収効率を高めるためには、液体空気貯蔵タンク内における液体空気温度を下げると共に、蓄冷槽に液体空気を供給する運転時に、ポンプによる液体空気の温度上昇を抑える方策が必要となる。
【００１１】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、液体空気エネルギー貯蔵システムの空気液化効率を高めることが出来るシステム構成及びそれを実現するための設備と運転制御方法を提案することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、空気圧力制御手段により蓄熱・蓄冷槽で冷却された空気の膨張後における圧力及び液体空気貯蔵タンクの圧力を大気圧より高く保ち、液化しなかった空気を排出系統側の空気膨張手段で更に液体空気より低い温度になる圧力まで膨張させた後、液体空気貯蔵タンク内部の熱交換器に通し、液体空気の温度を飽和温度以下になるまで下げることにより、液体空気の損失を防止し、空気液化率を向上し、電気エネルギーに変換する効率を向上させる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態について図面を引用してさらに詳しく説明する。
【００１４】
図１に本発明を用いた液体空気エネルギー貯蔵システムのシステム構成例を示す。図２に特開平９−２５０３６０号の公報で提案されている従来のシステム構成例を示す。
【００１５】
まず、夜間などの電力余剰時に、モーター兼発電機１を用いて空気圧縮機２を駆動し、予め冷却されている蓄熱・蓄冷槽３に高圧の空気を供給する。蓄熱・蓄冷槽３は気体を冷却する機能と加熱する機能とを備えている。蓄熱・蓄冷槽３を通り冷却された空気は、空気膨張器である膨張弁（ＪＴ弁）４で膨張させることで一部が液化する。このとき、図２に示した従来のシステムでは、膨張弁入口の圧力は一定にし、膨張弁出口の圧力は大気圧である。
【００１６】
一方、図１に示した本発明のシステムでは、膨張弁４入口に空気温度センサー５及び圧力センサー６を設置している。センサーにより測定した温度と圧力を基に空気圧力制御手段である空気圧力制御器７によりモーター兼発電機１の回転数を変化させる。空気圧力制御器７により、システム全体の運転可能圧力の範囲内で、膨張弁４入口の空気圧力を図４のように空気液化率が最大になるように制御する。また、膨張弁４出口の圧力は大気圧より高い圧力に保つ。
【００１７】
膨張弁４で膨張した空気は空気分離器８で液体と気体に分離され、液体空気１４は液体空気貯蔵タンク９に貯蔵される。本発明のシステムでは、液体空気貯蔵タンク９内部の圧力は、膨張弁４出口における圧力と同様に大気圧より高い圧力で保たれることになる。
【００１８】
大気圧より高い圧力に保つには、空気圧力制御手段として、例えば液体空気貯蔵タンク９に安全弁を設け、タンク内が設定圧力を超えたら自動的に安全弁を開放し、液体空気貯蔵タンク９内及び膨張弁４出口における圧力を大気圧より高い圧力に保つようにする。また膨張弁を、シリンダ内にピストン弁を挿入し、シリンダ及びピストン弁に空気を流通する連通穴を設け、空気圧力制御手段からの指示により、ピストン弁をシリンダ内で自動的に回動し、連通穴の面積を広口から狭口に絞り、大気圧より高い圧力に保つように制御する。
【００１９】
液化しなかった空気は、図２に示した従来のシステムでは冷熱回収熱交換器１０で冷熱を回収した後、大気へ放出される。
【００２０】
一方、図１に示した本発明のシステムでは、液化しなかった気体の空気は空気再冷却熱交換器１１で、排出される空気の冷熱を回収した後、空気膨張手段である膨張タービン１２で更に液体空気１４より低い温度になる圧力まで膨張させられる。
【００２１】
膨張して低温になった空気は液体空気貯蔵タンク９内部に設置された過冷却用熱交換器１３を通った後、空気再冷却熱交換器１１と冷熱回収熱交換器１０で冷熱を回収した後、大気へ排出される。このとき、液体空気貯蔵タンク９内の液体空気１４は過冷却用熱交換器１３により、飽和温度以下まで冷却される。
【００２２】
このため、液体空気１４が気体になるのを防止した分だけ、空気液化率が向上すると共に、液体空気１４を安定して保持することができる。また液体空気１４の損失を防止した分だけ発電機１で発生させる電気エネルギーの発生効率を向上することができる。
【００２３】
次に、日中などの電力不足時には、液体空気貯蔵タンク９内の液体空気１４を液体空気加圧ポンプ１５で加圧して、蓄熱・蓄冷槽３に供給する。図２に示した従来のシステムでは、液体空気加圧ポンプ１５から直接、蓄熱・蓄冷槽３に供給するが、図１に示した本発明のシステムでは、液体空気貯蔵タンク９内部に設置されたポンプ入熱除去用熱交換器１６を通した後、蓄熱・蓄冷槽３に供給する。液体空気加圧ポンプ１５を通過して液体空気１４はポンプ入熱除去用熱交換器１６により冷却されて、更に液体空気１４が気体になるのを防止すると共に、より安定した液体空気１４を保持する。
【００２４】
蓄熱・蓄冷槽３は、液体空気１４の冷熱を回収して次の電力余剰時における運転のために冷却されると共に、空気を加熱する。加熱された空気は、燃焼器１７に供給され、燃焼ガスのエネルギーはタービン１８で回収し、モーター兼発電機１で電気エネルギーに変えられる。
【００２５】
図３は膨張弁４入口における圧力を５．０ＭＰａ、膨張弁４入口における温度を−１７３℃で一定とした時の、膨張弁出口の圧力と空気液化率の関係を示す。図３の特性図により、膨張弁出口の圧力を高くすれば、空気液化率が向上することが分かる。膨張弁４出口の圧力を高くすると空気液化率が向上するのは、圧力の上昇とともに空気の飽和温度（液化温度）が上昇し、より高い温度でも液化するためである。一例として、膨張弁出口の圧力を大気圧（０．１ＭＰａ）から０．５ＭＰａまで上昇させれば、液化率は約７８％から約９４％まで１６％程度向上する。
【００２６】
しかし、図２に示した従来のシステムのように液体空気貯蔵タンク９内の液体空気の温度が飽和温度であれば、膨張弁４出口の圧力を高くする。そうすると、空気の飽和温度も高くなるために、電力不足時の運転で蓄熱・蓄冷槽３を冷却することが難しくなり、膨張弁出口の圧力の向上による液化率向上の大部分は相殺される。
【００２７】
ここで本発明のように、膨張弁４出口の圧力を高めると共に、液化しなかった空気を冷却後膨張させて、液体空気貯蔵タンク９内の液体空気を飽和温度以下まで冷却する設備を設ける。このため、飽和温度の上昇によるデメリットを抑え、空気の液化率を向上させることが出来る。
【００２８】
そして膨張弁４出口の圧力を０．１５〜０．７（ＭＰａ）の範囲内に設定する。そうすると、空気液化率（％）を８０〜１００（％）にすることができる。０.１５（ＭＰａ）以下の場合には、経済的にコスト高になり企業的に成り立ない。又０．７（ＭＰａ）以上にしても、空気液化率（％）は向上しないので意味がない。
【００２９】
図４に、圧力５．０ＭＰａにおける空気の温度と定圧比熱の関係を示す。液体空気加圧ポンプ１５により液体空気貯蔵タンク９内の液体空気１４を５．０ＭＰａに加圧する時、理想的にポンプでの入熱が無いと、仮定する。加圧された液体空気温度は、液体空気貯蔵タンク９内の液体空気温度と同程度（液体空気貯蔵タンク内部の圧力に依存し−１９５℃から−１６７℃程度）になると考えられる。
【００３０】
図４の特性図より、この温度範囲における空気の比熱は小さい。このため、液体空気加圧ポンプ１５からの入熱により液体空気１４の温度は大幅に上昇する可能性があり、システムの効率は大幅に低下する。ここで本発明のように、液体空気加圧ポンプ１５と蓄熱・蓄冷槽３の間にポンプ入熱除去用熱交換器１６を配し、液体空気貯蔵タンク９内の液体空気１４と熱交換させる。このため、蓄熱・蓄冷槽３を低い温度まで冷却することが出来、空気液化率を向上させることが出来る。
【００３１】
図５に、システムの運転可能な圧力範囲を４．０ＭＰａから６．０ＭＰａと仮定した時の膨張弁４入口の空気温度と液化率を最大化できる膨張弁入口における空気圧力の関係を示す特性図である。図６に、上記の運転可能な圧力範囲における空気圧力制御器７の制御フローチャートの一例を示す。ここで、運転可能な圧力範囲とは、装置の耐圧強度設計から決まる運転圧力範囲であり、運転圧力範囲を大きくすると装置の耐圧強度を高めるためにコストが上昇するため、通常はコストと性能との兼ね合いから決まる。
【００３２】
図５の特性図により、運転可能な圧力範囲を４．０ＭＰａから６．０ＭＰａとすると、空気温度が−１６３℃から−１５８℃の間で、液化率が最大となるように空気圧力が大きく変化することが分かる。空気液化により運転時、蓄冷槽は空気を冷却することで逆に加熱されるため、蓄冷槽出口における空気温度は空気液化により運転の時間経過とともに上昇する。蓄冷槽をなるべく小型化し、更に蓄冷槽に貯蔵した冷熱を最大限に利用するために長時間運転すると、蓄冷槽出口における空気温度の上昇はより顕著になる。
【００３３】
このとき、従来のシステムのように膨張弁入口の空気圧力を一定とした場合、空気を効率良く液化することが出来ず、システムのエネルギー貯蔵効率が低下することになる。
【００３４】
ここで、本発明のように、膨張弁入口側に温度センサー５と圧力センサー６を設置し、図６に示した制御フローチャートを用い、測定した空気温度及び空気圧力を用いてモーター兼発電機１の回転数を制御した。このため、空気圧力は空気液化率を最大化できるように制御することで、空気の液化率を向上させることが出来る。
【００３５】
図６の制御フローチャートでは、空気温度−１６３℃以下では空気圧力の設定値を４．０ＭＰａ一定、空気温度−１５８℃以上では空気圧力の設定値を６．０ＭＰａで一定とした。空気温度−１６３℃から−１５８℃まで範囲では、空気温度と空気液化率を最大化できる圧力の関係が線形であると近似した式を用いて空気圧力の設定値を決めている。
【００３６】
図６のフローチャートでは、圧力センサー６の入力も用いて、フォードバック制御を行っているが、予めモーター兼発電機１の回転数と空気圧力の関係が分かっている場合には、圧力センサー６の入力を用いない、よりシンプルな制御を行うことも可能である。逆に、空気の圧力が安定しない場合には、モーター兼発電機１の回転数を入力として加え、回転数と圧力の関係を用いた、より精度の高い圧力制御を行っても良い。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、液体空気貯蔵タンク内の液体空気を液体空気の温度より低い熱交換器で冷却した分だけ、液体空気の損失を防止し、空気の液化率が向上し、電気エネルギーに変換する変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例として示した液体空気エネルギー貯蔵システムのシステム構成図。
【図２】従来の液体空気エネルギー貯蔵システムのシステム構成図。
【図３】本発明の液体空気エネルギー貯蔵システムにおける膨張弁出口圧力と空気液化率の関係を示す特性図。
【図４】本発明の圧力５．０ＭＰａにおける空気の温度と定圧比熱の関係を示す特性図。
【図５】本発明の液体空気エネルギー貯蔵システムにおける膨張弁入口の空気温度と液化率を最大化できる空気圧力の関係を示す特性図。
【図６】本発明の膨張弁入口における空気圧力制御のフローチャート。
【符号の説明】
１…モーター兼発電機、２…空気圧縮機、３…蓄熱・蓄冷槽、４…膨張弁（ＪＴ弁）、５…空気温度センサー、６…圧力センサー、７…空気圧力制御器、８…空気分離器、９…液体空気貯蔵タンク、１０…冷熱回収熱交換器、１１…空気再冷却熱交換器、１２…膨張タービン、１３…過冷却用熱交換器、１４…液体空気、１５…液体空気加圧ポンプ、１６…ポンプ入熱除去用熱交換器、１７…燃焼器、１８…タービン、１９…流路切り替え弁（空気液化時開，発電時閉）、２０…流路切り替え弁（空気液化時閉，発電時開）。

Claims

空気圧縮機により圧縮された空気を冷却又は加熱する蓄熱・蓄冷槽と、前記蓄熱・蓄冷槽により冷却された空気を膨張させる空気膨張器と、前記空気膨張器より製造された液体空気を貯蔵する液体空気貯蔵タンクと、前記液体空気を加圧して蓄熱・蓄冷槽に送る液体空気駆動ポンプと、前記蓄熱・蓄冷槽で加熱された空気と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスをエネルギーとして回収するタービンと、前記タービンの回転エネルギーを電気に変える発電機とを備えた液体空気エネルギー貯蔵システムにおいて、冷却された空気の膨張後における圧力及び液体空気貯蔵タンクの圧力を大気圧より高く保つように制御する空気圧力制御手段と、前記空気膨張器と液体空気貯蔵タンクとの間に配置した液体空気と液化しなかった空気とに分離する空気分離器を備え、液化しなかった空気を排出系統側の空気膨張手段で更に液体空気より低い温度になる圧力まで膨張させた後、液体空気貯蔵タンク内部の熱交換器に通し、液体空気の温度を飽和温度以下まで下げることを特徴とした液体空気エネルギー貯蔵システム。
空気圧縮機により圧縮された空気を冷却又は加熱する蓄熱・蓄冷槽と、前記蓄熱・蓄冷槽により冷却された空気を膨張させる空気膨張器と、前記空気膨張器により製造された液体空気を貯蔵する液体空気貯蔵タンクと、前記液体空気を加圧して蓄熱・蓄冷槽に送る液体空気駆動ポンプと、前記蓄熱・蓄冷槽で加熱された空気と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスをエネルギーとして回収するタービンと、前記タービンの回転エネルギーを電気に変える発電機とを備えた液体空気エネルギー貯蔵システムにおいて、空気圧力制御手段により冷却された空気の膨張後における圧力及び液体空気貯蔵タンクの圧力を大気圧より高く保つように制御すると共に、液体空気駆動ポンプで加圧された液体空気を液体空気貯蔵タンク内に設けた熱交換器を流通して蓄熱・蓄冷槽に送ることを特徴とした液体空気エネルギー貯蔵システム。
空気圧縮機により圧縮された空気を冷却又は加熱する蓄熱・蓄冷槽と、前記蓄熱・蓄冷槽により冷却された空気を膨張させる空気膨張器と、前記空気膨張器により製造された液体空気を貯蔵する液体空気貯蔵タンクと、前記液体空気を加圧して蓄熱・蓄冷槽に送る液体空気駆動ポンプと、前記蓄熱・蓄冷槽で加熱された空気と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスをエネルギーとして回収するタービンと、前記タービンの回転エネルギーを電気に変える発電機とを備えた液体空気エネルギーを貯蔵するシステムの制御方法において、蓄熱・蓄冷槽と空気膨張器の間に温度センサーを配し、前記温度センサーにより測定した温度を入力された空気圧力制御手段により、空気圧縮機から蓄熱・蓄冷槽に供給する空気の圧力変化を制御することを特徴とした液体空気エネルギー貯蔵システの制御方法。
空気分離器と空気膨張器との間に熱交換器を配し、この熱交換器により液体空気貯蔵タンク内部の熱交換器を通った後の空気の冷熱を回収することを特徴とする請求項１に記載の液体空気エネルギー貯蔵システム。
前記空気膨張器の出口側の圧力を０．１５から０．７（ＭＰａ）の範囲内に設定することを特徴とした請求項１から４のいずれか1項に記載の液体空気エネルギー貯蔵システム及びその制御方法。